數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用分析

王小奎

[摘? ? 要]變電站作為改變電壓的電力基礎(chǔ)設(shè)施，在滿足社會(huì)各領(lǐng)域電力能源需求方面起到不可替代的重要作用。近年來(lái)，隨著智能化、數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，在基于IEC61850全球通用標(biāo)準(zhǔn)的前提下，由電子式互感器、智能化開關(guān)與網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建的數(shù)字化變電站模式應(yīng)運(yùn)而生。由于這種現(xiàn)代化變電站經(jīng)濟(jì)性好、安全性高，逐步替代了以電磁型互感器為主導(dǎo)的傳統(tǒng)變電站。基于此，文章將著重圍繞數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及自動(dòng)化技術(shù)在數(shù)字化變電站的具體應(yīng)用予以全面闡述。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化變電站;自動(dòng)化技術(shù);系統(tǒng)結(jié)構(gòu);具體應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TM63;TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–0–03

Application Analysis of Digital Substation Automation Technology

Wang Xiao-kui

[Abstract]As the power infrastructure of changing voltage， substation plays an irreplaceable role in meeting the power energy demand in various fields of society. In recent years， with the rapid development of intelligent and digital technology， under the premise of IEC61850 global standard， the digital substation mode， which is composed of electronic transformer， intelligent switch and network secondary equipment， emerges as the times require. Because of its good economy and high security， the modern substation has gradually replaced the traditional substation dominated by electromagnetic transformer. Based on this， this paper will focus on the digital substation system structure， as well as the specific application of automation technology in digital substation.

[Keywords]digital substation; automation technology; system structure; specific application

數(shù)字化變電站的自動(dòng)化技術(shù)不僅取代了傳統(tǒng)的人工操作的格局，同時(shí)，也大幅降低了變電站的故障發(fā)生幾率，進(jìn)而有效延長(zhǎng)了變電站的使用壽命。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能化開關(guān)、電子式互感器的制造工藝日漸純熟，高科技含量越來(lái)越高，在這一背景之下，數(shù)字化變電站模型橫空出世，我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距也在逐步縮小。

1 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)組成

1.1 智能化一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備

數(shù)字化變電站模式的建立符合IEC61850全球通用標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使各種電氣設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享與交互操作，這就節(jié)省了大量的人力資源。數(shù)字化變電站主要包括智能化一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備。其中，智能化一次設(shè)備主要由電子設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)電力能源傳輸以及電壓變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷。而網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備主要由繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)功控制裝置以及在線狀態(tài)檢測(cè)裝置組成。該設(shè)備的通信接口屬于獨(dú)立式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于設(shè)備間的互操作，同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)各種信息資源的傳遞與共享。

1.2 過(guò)程層

過(guò)程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的承接層，具有實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控電流與電壓變化的功能，過(guò)程層的核心中樞是光電式互感器，在變電站運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)。另外，過(guò)程層能夠?qū)ψ儔浩?、斷路器、隔離開關(guān)、電容器等裝置的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，比如溫度、壓力、密度、絕緣情況以及機(jī)械特性等，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行方面起到至關(guān)重要的作用。

1.3 間隔層

間隔層設(shè)備包括計(jì)量裝置、保護(hù)測(cè)控裝置以及規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，保護(hù)測(cè)控裝置基于標(biāo)準(zhǔn)化模塊而建立，信息上傳等功能完全遵照于IEC61850協(xié)議，并為智能化設(shè)備提供了通信接口，間隔層所承擔(dān)的基本功能包括：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的匯總;②對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)控制;③閉鎖功能;④實(shí)現(xiàn)同期操作;⑤對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算，并發(fā)出執(zhí)行口令。

1.4 站控層

站控層作為網(wǎng)絡(luò)二次設(shè)備的重要分層，主要由監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、防誤閉鎖、信息保護(hù)、電量遠(yuǎn)傳、安防監(jiān)視、火災(zāi)報(bào)警、燈光遙控等組成，該分層與間隔層設(shè)備之間遵照IEC61850全球通用協(xié)議。

2 數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)傳統(tǒng)模型框架

2.1 集中式變電站系統(tǒng)模型

該模型在運(yùn)行過(guò)程中，所測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)均輸入測(cè)控主機(jī)單元或者遠(yuǎn)動(dòng)終端，控制與執(zhí)行口令均由主機(jī)發(fā)出，然后，該模型中的保護(hù)裝置與主機(jī)或者遠(yuǎn)動(dòng)裝置并入同一接口，擔(dān)負(fù)信息傳送功能。由于集中式變電站的二次控制電纜較多，這就給電流互感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)增加了負(fù)擔(dān)。另外，集中式變電站由于功能性集中，如果出現(xiàn)運(yùn)行故障，承擔(dān)各項(xiàng)功能的組件都會(huì)受到影響。與此同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部軟件組成復(fù)雜，這就給維修人員增加了工作難度。

2.2 分散式變電站系統(tǒng)模型

與集中式變電站系統(tǒng)相比，分散式變電站的保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)處于中低壓開關(guān)柜或者高壓一次設(shè)備的位置，主要以保護(hù)管理機(jī)作為連接介質(zhì)，與變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)相連。該系統(tǒng)模式的最大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是二次電纜數(shù)量減少，而且在運(yùn)行過(guò)程中，并不會(huì)改變過(guò)程層與間隔層設(shè)備間的通信傳輸方式，分散式變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.3 傳統(tǒng)模型構(gòu)架優(yōu)化改良

集中式與分散式變電站在采集數(shù)據(jù)信息時(shí)，均采用傳統(tǒng)的電磁互感器，且與二次設(shè)備間的傳遞介質(zhì)為金屬電纜。因此，在變電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)以下問(wèn)題。第一，系統(tǒng)絕緣方式屬于油浸式絕緣或者氣體絕緣，隨著電壓等級(jí)的升高，絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得異常復(fù)雜，這樣就增加了電力部門的投入成本。第二，集中式與分散式變電站均含有鐵芯裝置，由于這種裝置的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)在對(duì)高頻信號(hào)作出響應(yīng)的功能性逐步弱化，一次側(cè)暫態(tài)過(guò)程反應(yīng)也相對(duì)較差。第三，由于傳統(tǒng)的電磁互感器經(jīng)常發(fā)生二次繞組開路以及短路現(xiàn)象，以至于變電站運(yùn)行的安全系數(shù)大幅降低。第四，在超高壓工作狀態(tài)下，電容式電壓互感器的暫態(tài)特性差，導(dǎo)致殘余電壓的衰減時(shí)間變短，在這種情況之下，繼電器的正常動(dòng)作電壓將受到嚴(yán)重影響。就信息數(shù)據(jù)的傳遞方式而言，由于金屬電纜本身抗干擾能力差，尤其在遠(yuǎn)距離傳統(tǒng)時(shí)，極易受到磁場(chǎng)波干擾，而出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，以至于信息數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享，使得終端操作人員出現(xiàn)誤判。

針對(duì)傳統(tǒng)變電站存在的問(wèn)題，技術(shù)人員需對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化和改良。將傳統(tǒng)的金屬電纜替換成光纖，光纖本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠切斷外界磁場(chǎng)波的干擾路徑，這時(shí)，系統(tǒng)的通信頻帶變寬，易于形成通暢的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳遞與共享。當(dāng)變電站運(yùn)行時(shí)，智能設(shè)備的控制與執(zhí)行口令可以借助于網(wǎng)絡(luò)發(fā)出，這就提高了變電站運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

3 數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 光電互感器類型

光電互感器是對(duì)大電流、高電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與測(cè)量的一種智能化裝置。由于光電互感器體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)性好，而且無(wú)鐵芯、無(wú)燃燒、抗干擾能力強(qiáng)，因此，已經(jīng)成為電力計(jì)量與保護(hù)、自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程中的主流應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)傳感器頭部是否使用電源的情況，光電互感器可以劃分為有源式互感器與無(wú)源式互感器。

（1）有源式互感器

有源式互感器的一次電流傳感元件主要以空心線圈以及高飽和電流互感器為主，利用電阻、電感分壓器來(lái)感知和測(cè)量電壓。工作原理是：電流與電壓通過(guò)遠(yuǎn)端模塊經(jīng)由數(shù)字處理器、單片機(jī)以及相關(guān)電子線路，被轉(zhuǎn)換成為光信號(hào)，然后借助于光纖介質(zhì)將其傳送至主控制室內(nèi)，最后經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，將模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)二次輸出。

（2）無(wú)源式互感器

與有源式互感器相比，無(wú)源式互感器頭部沒(méi)有電源電路，互感器的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)可以在沒(méi)有電源供電的情況下完成。這種互感器傳感頭由光學(xué)元件構(gòu)成，主要利用法拉第磁光效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、自然旋光效應(yīng)以及光干涉原理對(duì)電流實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)視與測(cè)量。其中最為常用的無(wú)源式互感器是基于法拉第效應(yīng)的光電電流互感器。而測(cè)量電壓信號(hào)的互感器主要基于泡克爾斯效應(yīng)原理感應(yīng)被測(cè)的電壓信號(hào)。

3.2 電子式互感器

電子式互感器的核心組成結(jié)構(gòu)主要由2部分組成，即傳感模塊與合并單元。傳感模塊的安裝位置處于一次側(cè)，主要將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)。合并單元的安裝位置處于二次側(cè)，主要以遠(yuǎn)端模塊的傳輸信號(hào)進(jìn)行合并處理。

3.2.1 傳感模塊

電子傳感模塊主要由有源電子式電流互感器高壓側(cè)的電子電路組成，使輸出信號(hào)在濾波、積分變換以及A/D轉(zhuǎn)換作用下，轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)電光轉(zhuǎn)換，這些數(shù)字信轉(zhuǎn)變成為光信號(hào)，然后再利用光纖介質(zhì)傳送至主控制室當(dāng)中。目前，在電力系統(tǒng)中，較為常見的供電技術(shù)是激光供電技術(shù)，該技術(shù)也是有源電子式互感器的一項(xiàng)關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)。

有源電子式互感器包括電壓互感器以及電壓/電流互感器，前者主要基于電容或者電阻分壓原理，額定容量能夠達(dá)到毫瓦級(jí)別，輸出的電壓在±5 V以下。而有源電子式電壓/電流互感器吸取了傳統(tǒng)電磁互感器的優(yōu)點(diǎn)，不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且絕緣性能好，能夠有效降低高電壓等級(jí)電壓/電流互感器的重量、體積以及生產(chǎn)成本，并且解決了光學(xué)互感器安全性差、可靠性差的難題。

3.2.2 合并單元

電子式互感器的合并單元將多路ECT/EVT的數(shù)字信號(hào)以系統(tǒng)可識(shí)別的格式傳送給保護(hù)設(shè)備與測(cè)控設(shè)備。其連接方式主要是利用二次設(shè)備接口與串行單向多種點(diǎn)進(jìn)行對(duì)點(diǎn)連接。合并單元由三個(gè)功能模塊構(gòu)成，同步功能控制模塊、多路數(shù)據(jù)采集與處理功能模塊和串口發(fā)送功能模塊。由于合并單元的識(shí)別精度取決于該單元的輸出信號(hào)，在測(cè)量中的A/D轉(zhuǎn)換并不會(huì)出現(xiàn)附加誤差，因此，系統(tǒng)整體精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它常規(guī)系統(tǒng)。

3.2.3 智能終端與GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字化變電站智能終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式能夠在原有開關(guān)條件下，使一次設(shè)備與間隔級(jí)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的即時(shí)傳遞與共享。GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)主要由保護(hù)裝置、智能終端、本體智能單元測(cè)控裝置、公用測(cè)控等裝置組成，該通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳遞的實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠與穩(wěn)定性。其優(yōu)勢(shì)在于：第一，減少前期變電站建設(shè)投入成本;第二，微型化的保護(hù)小室與主控室的設(shè)計(jì)理念，節(jié)省了大量的設(shè)備占地面積;第三，控制柜智能化操作使二次回路與系統(tǒng)得到進(jìn)一步優(yōu)化;第四，由于電子式互感器在出廠之前就已經(jīng)完成了聯(lián)合調(diào)試工作，因此，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大大減少。第五，互感器中各個(gè)電氣元件間的距離大幅縮減，這就減輕了互感器的負(fù)載量。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用不僅推進(jìn)了智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程，而且也提升了電力能源的供給速度與質(zhì)量，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。從當(dāng)前電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展進(jìn)度看，數(shù)字化變電站的自動(dòng)化技術(shù)必將成為未來(lái)電力系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊鵬輝.自動(dòng)化技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2018（3）：88，93.

[2] 王健，戚文君.基于數(shù)字化變電站電力自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)研究[J].科學(xué)與財(cái)富，2018（33）：227.

[3] 陳偉.數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用[J].科技展望，2017，27（26）：16.

[4] 王海軍.數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用探究[J].引文版：工程技術(shù)，2015（23）：158.